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Portique à contrefiches d'angle : le critère du décalage derrière la norme, et le facteur 4 qu'il décide

Mis à jour 12 sept. 202617 min de lecture
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Portique à contrefiches d'angle : le critère du décalage derrière la norme, et le facteur 4 qu'il décide

Une contrefiche d'angle, la diagonale courte du portique à contrefiches d'angle (knee braced frame), est la seule diagonale de la construction métallique dont l'axe rate le nœud volontairement. Elle se pose à une distance a plus bas sur le poteau et à une distance a plus loin sur la poutre, coupe l'angle, et laisse l'ouverture dégagée. Cette seule distance est tout le dimensionnement : elle fixe exactement l'effort dans la contrefiche, elle fixe le déplacement horizontal, et elle fixe le moment qui reste au poteau. Cet article fait tourner un portique de 8,0 m par 5,0 m sur le moteur éléments finis de production de CalcSteel en six points d'attache, confronte chaque nombre à la forme analytique, et se termine sur un résultat que la plupart des ingénieurs n'attendent pas. Il n'existe pas de longueur de contrefiche optimale, et la section de la contrefiche n'a presque aucune importance.

L'essentiel

  • Le critère, c'est le décalage a, et rien d'autre. L'effort dans la contrefiche vaut exactement N = V H / (2 a cos beta) : divisez le décalage par deux et l'effort double. Sur les six décalages, le moteur et cette expression se sont accordés à 0,000 %.
  • Sur le balayage, l'effort dans la contrefiche passe de 424,3 kN à a = 0,5 m à 106,1 kN à a = 2,0 m. Un facteur 4 dans la barre, dans le gousset et dans le groupe de boulons, décidé par l'endroit où vous avez choisi de poser la contrefiche.
  • Le déplacement horizontal va dans le même sens. Le portique nu se déplace de 48,109 mm, soit H/104 et 140,5 % au-delà d'une limite H/250. À a = 0,5 m il se déplace de 51,728 mm, à a = 2,0 m de 18,236 mm. Seule la contrefiche la plus longue passe.
  • Il n'y a donc pas d'optimum structural. Le déplacement, l'effort dans la contrefiche et le moment qui reste au poteau s'améliorent tous à mesure que la contrefiche s'allonge. Le décalage est une décision de dégagement et rien d'autre, ce qui veut dire que la bonne question est : combien d'angle pouvez-vous abandonner ?
  • Le moment que le poteau conserve relève de la statique pure : M = (V/2)(H - a) = 90,0 kN.m au point d'attache, avec un pied articulé. La section de la contrefiche, son angle et la nuance d'acier n'y changent rien. Un portique à contrefiches d'angle est un portique à nœuds rigides avec un ressort dedans.
  • La section de la contrefiche est la mauvaise variable. Vingt-deux fois l'aire de la contrefiche a acheté 30,8 % du déplacement, et 0 % de l'effort dans la contrefiche, que la statique avait déjà fixé à 141,4 kN avant qu'aucune section ne soit choisie.
  • Une contrefiche d'angle courte peut laisser le portique plus souple que pas de contrefiche du tout. À a = 0,5 m, le portique à assemblages articulés se déplace de 51,728 mm contre les 48,109 mm du portique à assemblages rigides, parce que l'allongement de la contrefiche rend à lui seul 12,5 mm.
  • Dès que la contrefiche est assez longue, l'assemblage rigide poutre-poteau cesse de justifier son coût : le remplacer par un assemblage articulé a changé le déplacement de 1,34 % à a = 2,0 m, et de moins de 1,5 % partout au-dessus de a = 1,0 m.
  • C'est un raidisseur d'angle, pas un système de contreventement. La contrefiche d'angle a acheté 2,64 fois la rigidité du portique nu. Une diagonale complète d'angle à angle, du même SHS, en a acheté 20,8, et la travée avec.
  • La compression n'est pas la question ici. À a = 2,0 m la contrefiche mesure 2,828 m à KL/r = 81,4, phi Pc = 330,0 kN contre une sollicitation de 106,1 kN, un taux de travail de 0,321. L'argument de la traction seule qui domine le contreventement en croix ne se pose pas.
  • Le portique reste un portique à nœuds déplaçables. Le moment en pied est nul, chaque pied reprend toujours V/2, et alpha cr ne passe que de 19,49 à 51,41. Dimensionnez le poteau comme un poteau-poutre, pas comme un poteau de portique contreventé.
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La diagonale qui rate le nœud volontairement

Toutes les autres diagonales de la construction métallique sont dessinées vers un point d'épure. Les axes de la poutre, du poteau et de la diagonale sont amenés à se rencontrer, parce que lorsqu'ils se rencontrent l'assemblage reprend de l'effort et pas de moment, et la travée entière peut être idéalisée comme un treillis. Une contrefiche d'angle fait l'inverse. Elle se pose à une distance a plus bas sur le poteau et à une distance a plus loin sur la poutre, et elle rate le nœud délibérément.

Elle le rate à cause de ce à quoi sert l'angle. Une mezzanine a besoin de la hauteur libre sous la poutre. Un rack à tuyauterie a besoin que la tuyauterie passe. Un atelier a besoin de sa porte. Une diagonale complète en travers de la travée résout le problème horizontal et emporte la travée avec elle. La contrefiche coupe l'angle à la place et laisse le milieu dégagé.

Ce que cela coûte n'a rien d'évident, et cela ne figure pas dans la plupart des manuels. Ci-dessous, un portique de 8,0 m par 5,0 m est calculé sur le moteur éléments finis de CalcSteel en six points d'attache différents pour la contrefiche, tout le reste étant tenu identique. L'effort dans la contrefiche varie d'un facteur 4. Le déplacement horizontal varie d'un facteur 2,8. Et le nombre vers lequel la plupart des ingénieurs se tournent en premier, la section de la contrefiche, ne change presque rien.

Un portique à deux contrefiches d'angle à côté du même portique muni d'une diagonale complète d'angle à angle, avec le décalage a coté et l'ouverture libre marquée
La même travée, les mêmes 60 kN. La contrefiche d'angle coupe l'angle et laisse 3,0 m par 4,0 m dégagés ; la diagonale complète est bien plus rigide et traverse tout.

Ce qu'est vraiment un portique à contrefiches d'angle

Un portique à contrefiches d'angle, le knee braced frame, parfois abrégé KBF, est un portique à nœuds rigides muni d'une diagonale courte en travers de chaque angle poutre-poteau. La diagonale est en général à 45 degrés, en général avec le même décalage sur le poteau et sur la poutre, et en général en petit tube, en cornière ou en U. On la voit sur les mezzanines, les racks à tuyauterie, les portiques de pont roulant, les portiques en bois, les auvents et les bâtiments industriels légers, et elle est très ancienne : la même géométrie est dans la charpente médiévale en bois, où elle s'appelle une jambe de force.

Deux choses assez différentes s'appellent contrefiche d'angle, et il vaut la peine de les séparer avant tout calcul.

  • Le raidisseur. Une contrefiche ajoutée pour raidir l'angle d'un portique ordinaire sous le vent, le freinage d'un pont roulant ou une charge d'imperfection. C'est un dispositif d'état limite de service et de stabilité. Rien n'est censé plastifier. C'est le cas courant, et c'est celui de l'exemple traité ci-dessous.
  • La contrefiche sacrificielle. En calcul sismique, un élément d'angle est délibérément fait le maillon le plus faible du cheminement des efforts, pour qu'il plastifie en cisaillement ou en flexion pendant que la diagonale et le portique restent élastiques. L'idée remonte à la proposition de disposable knee bracing d'Aristizabal-Ochoa, en 1986, et l'élément est censé être découpé et remplacé après un séisme. C'est un cousin du tronçon sismique d'un portique à triangulation excentrée.

Les deux partagent une géométrie et à peu près rien d'autre. Ce qu'ils partagent vraiment, c'est la variable unique dont parle cet article : le décalage.

Portique contreventé ou portique à nœuds rigides ? Ni l'un ni l'autre

La première erreur qu'invite un portique à contrefiches d'angle est une erreur de classement. Il y a une diagonale dans la travée, alors le portique est déclaré contreventé, les poteaux reçoivent un coefficient de longueur de flambement de 1,0, on suppose que le moment poutre-poteau est parti quelque part, et la vérification au second ordre est sautée.

Rien de tout cela n'est vrai, et la raison est géométrique. Dans une travée à triangulation centrée, la diagonale va d'angle à angle, si bien que l'effort horizontal qu'elle reprend est livré directement dans le nœud puis directement le long de la diagonale jusqu'aux fondations. Il ne reste aux poteaux que de l'effort normal. Dans une travée à contrefiches d'angle, la diagonale s'arrête en chemin. Sous le point d'attache, le poteau n'a aucune diagonale du tout : il reste une console partant du pied, et il reprend toujours sa part de l'effort tranchant d'étage en flexion.

Le classement honnête est donc un portique à nœuds rigides avec un ressort en travers de chaque angle. Le ressort est rigide et peu coûteux, et il vaut la peine d'être là. Il ne transforme le portique en rien d'autre, et les nombres ci-dessous le rendent quantitatif : le moment en pied reste nul, l'effort tranchant du poteau sous la contrefiche reste exactement à V/2, et l'amplificateur de déplacement du portique ne descend que de 1,0541 à 1,0198.

Le critère : deux lois exactes dans le décalage

Prenez un angle. Pied articulé, charge horizontale V au niveau de la poutre, travée symétrique, si bien que chaque poteau reprend V/2 d'effort tranchant horizontal. La contrefiche d'angle se pose à une hauteur H - a sur le poteau et à une distance a sur la poutre, sous un angle beta sur l'horizontale. Trois grandeurs en découlent, et deux d'entre elles relèvent de la statique exacte plutôt que de l'analyse.

1. Le moment qui reste au poteau. Sous le point d'attache il n'y a rien d'autre que du poteau. Le pied est articulé, donc le moment croît linéairement depuis zéro, et au point d'attache il vaut

Mattache = (V / 2) (H - a)

Cette expression ne contient aucune propriété de la contrefiche. Ni la section, ni l'angle, ni la nuance d'acier, ni la rigidité. Quoi que vous fassiez à la contrefiche, le poteau garde ce moment.

2. L'effort dans la contrefiche. Avec des assemblages poutre-poteau articulés, le triangle d'angle est isostatique, et le poteau au-dessus du point d'attache doit reprendre Mattache en bas et zéro à l'articulation en haut, si bien que son effort tranchant vaut Mattache/a. La contrefiche fournit la différence, et cela donne

Ncontrefiche = V H / (2 a cos beta)

Le décalage est au dénominateur. Divisez la contrefiche par deux et l'effort double, exactement, et avec lui tout ce par quoi la contrefiche doit être assemblée.

3. Le déplacement horizontal. L'intégration de ces deux diagrammes de moment linéaires par le travail virtuel donne une forme analytique pour le déplacement de toute la travée :

Δ = V H (H - a)2 / (6 E Ic) + V H2 (L/2 - a)2 / (3 E Ib L) + termes d'effort normal

Faites a = 0 et elle s'effondre, terme par terme, sur le portique nu. C'est là tout le bénéfice de flexion d'une contrefiche d'angle : elle remplace H par (H - a) dans le terme de poteau et L/2 par (L/2 - a) dans le terme de poutre. Regardez ce qui n'est pas dans ces deux termes. La section de la contrefiche n'y est pas. Elle n'apparaît que dans les termes d'effort normal, qui sont petits.

Les trois vont dans le même sens. Contrefiche plus longue, moins d'effort, moins de déplacement, moins de moment laissé au poteau. Il n'y a pas d'optimum structural à trouver. Le décalage est choisi par l'ouverture que vous devez laisser libre, et par rien d'autre.

Deux graphiques en fonction du décalage de la contrefiche : le déplacement qui descend sous la limite H/250, et l'effort dans la contrefiche qui suit la loi exacte en 1/a
Les deux lois vont dans le même sens. Le déplacement à gauche, avec le portique nu et la limite H/250 tracée en travers ; l'effort dans la contrefiche à droite, les points du moteur posés sur V H / (2 a cos beta).

La travée qui est calculée ci-dessous

Un portique de mezzanine de stockage, là où les contrefiches d'angle gagnent leur vie.

  • Portée L = 8,0 m d'axe de poteau à axe de poteau, hauteur H = 5,0 m du pied à l'axe de la poutre, pieds articulés.
  • Poteaux HEB 300 (Ix = 24 480,5 cm4), poutre IPE 400 (Ix = 22 222,4 cm4), contrefiches d'angle SHS 90x90x5 (A = 1 700 mm2, r = 34,76 mm). Acier S355, E = 200 GPa.
  • Décalages égaux sur le poteau et sur la poutre, si bien que chaque contrefiche est à 45 degrés et que sa longueur vaut a fois la racine de 2.
  • Charge horizontale V = 60 kN au niveau de la poutre, 30 kN à chaque nœud supérieur. Charge de gravité pondérée sur la poutre 40 kN/m, soit 320 kN sur le portique.
  • Limite d'état limite de service H/250 = 20,0 mm, l'ordre de grandeur habituel pour un portique industriel bardé. Votre annexe nationale peut dire H/300 ou H/150 ; l'arithmétique ci-dessous ne change pas, seulement la ligne qui passe.

Deux points de modélisation, parce qu'ils décident si les nombres veulent dire quelque chose. D'abord, les poteaux et la poutre sont continus au travers des points d'attache. Ce n'est pas un raffinement, c'est la structure : une contrefiche d'angle ne peut pas travailler dans un portique entièrement articulé, parce que l'assemblage serait un mécanisme. Ensuite, les modèles principaux utilisent des assemblages poutre-poteau articulés, qui sont le détail réel d'une mezzanine, et qui rendent l'angle isostatique pour que chaque station soit une vérification manuelle. La version à nœuds rigides a été calculée à côté, et la comparaison a sa propre section plus bas.

Tout tourne sur app.engine.solver.run_analysis, le moteur même qui est derrière l'éditeur CalcSteel, et chaque nombre publié est confronté à la forme analytique avant de paraître ici.

Étape 1 : le portique nu, et pourquoi on en vient à une contrefiche d'angle

Avant la contrefiche, le portique seul. Un portique à pieds articulés avec des assemblages rigides aux deux angles est une structure parfaitement respectable. Il est aussi souple, et la méthode des rotations dit à quel point. En écrivant l'équilibre du nœud avec le terme de déplacement et l'équation d'effort tranchant 2 Mhaut / H = V, on obtient

Δ = V H2 L / (12 E Ib) + V H3 / (6 E Ic)

ce qui fait pour cette travée 22,50 mm venant de la poutre plus 25,53 mm venant des poteaux, 48,03 mm au total. Le moteur a rendu 48,109 mm, un écart de 0,16 %, et ces 0,16 % sont les poteaux qui se raccourcissent sous le couple de renversement, ce que la forme analytique ignore.

48,109 mm, c'est H/104. Face à une limite H/250, c'est un dépassement de 140,5 %. Le portique n'est pas près du compte, et aucun ajustement raisonnable des sections n'y remédie : le terme de poteau va en H au cube, si bien que le racheter en section veut dire un très gros poteau.

Le moment de poteau en tête vaut 150,0 kN.m, ce qui est exactement V H / 2, et le moteur a rendu exactement cela. Retenez ce nombre. C'est ce à quoi la contrefiche d'angle va être comparée.

Étape 2 : six points d'attache, un seul passe

Maintenant les contrefiches d'angle sont mises en place, le même SHS 90x90x5 dans chaque calcul, et seul le point d'attache change. Six décalages de 0,5 m à 2,0 m. La colonne du déplacement, c'est le moteur éléments finis ; la colonne de l'effort dans la contrefiche, c'est le moteur également, et elle est tombée sur V H / (2 a cos beta) à 0,000 % dans les six calculs.

décalage alongueur de la contrefichedéplacementrapportN dans la contreficheM au point d'attacheouverture libreH/250
0,50 m0,707 m51,728 mmH/97424,3 kN135,0 kN.m7,0 x 4,5 méchec
0,75 m1,061 m42,498 mmH/118282,8 kN127,5 kN.m6,5 x 4,25 méchec
1,00 m1,414 m35,883 mmH/139212,1 kN120,0 kN.m6,0 x 4,0 méchec
1,25 m1,768 m30,496 mmH/164169,7 kN112,5 kN.m5,5 x 3,75 méchec
1,50 m2,121 m25,875 mmH/193141,4 kN105,0 kN.m5,0 x 3,5 méchec
2,00 m2,828 m18,236 mmH/274106,1 kN90,0 kN.m4,0 x 3,0 mOK

Trois choses dans ce tableau méritent qu'on s'arrête.

Seule la contrefiche la plus longue passe, et elle passe avec 8,8 % de marge. Tout ce qui est plus court échoue à la limite, certaines lignes largement. Une contrefiche d'angle n'est pas un geste symbolique : soit elle prend une vraie bouchée de l'angle, soit elle ne fait pas grand-chose.

L'effort dans la contrefiche est exactement inverse du décalage. 424,3 kN à 0,5 m contre 106,1 kN à 2,0 m, c'est un facteur 4 pour un facteur 4 sur le décalage. Ce facteur n'est pas seulement dans la barre. Il est dans le gousset, dans le groupe de boulons, dans la soudure et dans la vérification locale de l'âme du poteau là où la contrefiche se pose.

La ligne à 0,5 m est plus souple que de n'avoir aucune contrefiche. 51,728 mm contre les 48,109 mm du portique nu à assemblages rigides. Abandonnez l'assemblage rigide pour une contrefiche courte et vous avez échangé vers le bas. La raison est dans la forme analytique : la contrefiche reprend 424,3 kN sur 0,707 m, et son propre allongement contribue pour 12,5 mm des 51,7 mm.

Six lignes, une par décalage de contrefiche, avec les barres de déplacement face à la limite H/250, l'effort dans la contrefiche et l'ouverture libre qui reste
Seul le point d'attache change entre ces six portiques. Les barres de déplacement sont le moteur éléments finis, les efforts sont de la statique, et la dernière colonne est ce que le détail coûte à l'ouverture.

Étape 3 : vérifier la contrefiche que le décalage vous a donnée

Prenez la ligne qui passe, a = 2,0 m. La contrefiche fait 2,828 m de SHS 90x90x5 reprenant 106,07 kN, et la première chose à remarquer est que ce nombre est sorti de la statique avant qu'aucune section n'existe. On ne dimensionne pas une contrefiche d'angle pour trouver ensuite son effort. La géométrie fixe l'effort, et la section n'a qu'à y survivre.

La compression gouverne à l'angle sous le vent. Avec r = 34,76 mm et K = 1,0 sur toute la longueur de la contrefiche :

  • KL/r = 2 828 / 34,76 = 81,4, confortablement à l'intérieur des 200 que l'AISC recommande pour les barres comprimées.
  • Fe = pi carré E / (KL/r) carré, et l'AISC 360 E3 donne ensuite phi Pc = 330,0 kN.
  • Sollicitation sur résistance = 106,07 / 330,0 = 0,321. Elle passe avec de la marge.

En traction, la même section a phi Pt = 543,1 kN sur la section brute, un taux de travail de 0,195.

Ce faible taux de travail est caractéristique et il compte. Une contrefiche d'angle est courte, donc la compression n'est presque jamais la question. L'argument de la traction seule qui domine le contreventement en croix, où l'une des diagonales est passée par pertes et profits parce qu'elle flambe à un KL/r de 200 ou plus, ne se pose tout simplement pas ici. Inversez la charge et le moteur donne à la contrefiche miroir les mêmes 106,07 kN. Les deux contrefiches travaillent, dans les deux sens, toujours.

Deux vérifications d'équilibre à faire sur votre propre modèle, parce qu'elles attrapent immédiatement une extrémité mal relâchée. Au point d'attache sur le poteau, la composante horizontale de la contrefiche vaut 75,0 kN, et le moteur rapporte l'effort normal du poteau qui saute de 75,0 kN et son effort tranchant qui saute de 75,0 kN de part et d'autre de ce même nœud. Et le tronçon de poutre entre le point d'attache et le poteau prend 75,0 kN de compression, qui est encore la même composante. Si ces trois nombres ne sont pas égaux dans votre modèle, la contrefiche ne fait pas ce que dit le dessin.

Calculez le portique nu vous-même

Le portique nu est la moitié de ce problème que vous pouvez reproduire en une minute. Entrez la portée de 8,0 m, la hauteur de 5,0 m, les sections et les 60 kN, et lisez le déplacement horizontal et les réactions d'appui sur un vrai calcul de portique plan en 2D. Les nombres avec contrefiches d'angle découlent ensuite de la forme analytique de la section sur le critère, plus haut.

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Roof
Bases
Section (I / H)
Yield fy
MPa
Wind source
ULS combinations (code)
Max moment
77.8 kN·m
governing |M|
Max axial
52.8 kN
column N
Max shear
40.6 kN
Lateral drift
0.6 mm
eaves sway
Utilization (NBR)
76%
PASS
w = 8.0 kN/mH = 15 kNIPE 330 · Ix = 11145 cm⁴RA: 48.4 kN↕ 15.1 kN↔M = 24 kN·mRB: 52.8 kN↕ 30.1 kN↔M = 72.6 kN·mL = 12 mh = 5 mf = 2 m
BENDING MOMENT — M|M|max = 77.8 kN·mSHEAR — V|V|max = 40.6 kNAXIAL — N|N|max = 52.8 kN

Diagrams plotted on the deformed-free frame geometry. N, V, M recovered from the element end-forces of the direct-stiffness solve (12 elements / member). Moment drawn offset to each member's centreline.

First-order STRENGTH screening at the governing section of the NBR 8800 (BR) ULS envelope (governing CB2): N,d = 73.9 kN, M,d = 109 kN·m. Member buckling and lateral-torsional buckling are NOT included — see the stability flags below and run the full verification in the 3D editor. Click a card to make that resistance code govern the ranking.

ULS load combinations — NBR 8800 (BR)

G + W superposed · 3 combinations
CombinationFactorsUtilization
CB11.4 G69%
CB2governs1.4 G + 1.4 W76%
CB31 G + 1.4 W57%

Combinations generated by the CalcSteel combinations engine (the same v4 engine the 3D editor uses, 6 codes). Gravity is treated as a single permanent action G; the wind action W is the eaves load. Each combination's γ factors are applied by superposition to the isolated gravity and wind solves, then every section is screened — the worst point of the worst combination governs.

Stability screening (buckling caveats)

not in the strength check
Column flexural bucklingOK
K · h (sway)1.5 · 5 mλ = K·h/rx55 / 200N,cr (Euler)3,912 kNN,Ed / N,cr2%
Rafter lateral-torsional bucklingLTB LIKELY
L,b (unbraced)6.32 mL,p limit1.81 mL,b / L,p3.5×r,y3.63 cm

Screening indicators only — assumed sway effective length (K = 1.5) and the full member length as the unbraced length (no intermediate purlin/girt restraint). The strength check above deliberately excludes these; the real member verification (effective lengths from the alignment chart / notional loads, χ and Cb reduction factors, purlin bracing) runs in the 3D editor.

Lightest sections that pass (NBR)

screened 974 profiles
ProfileMassFrame steelUtilization
VS 400x3231.9 kg/m723 kg82%
VS 350x3333.2 kg/m752 kg86%
VS 400x3434.4 kg/m779 kg75%
VS 350x3535.1 kg/m795 kg80%
VS 400x3535.1 kg/m795 kg73%

Ce que la contrefiche ne peut pas enlever

Voici le résultat qui décide de la façon dont vous vérifiez le poteau, et c'est celui sur lequel le classement en portique contreventé se trompe.

Dans le portique nu, le moment du poteau dans le plan croît de zéro au pied articulé jusqu'à 150,0 kN.m en tête. Dans le portique à contrefiches d'angle, il croît de zéro au pied articulé jusqu'à 90,0 kN.m au point d'attache, puis retombe au-dessus. Ces 90,0, c'est (V/2)(H - a) = 30 x 3,0, et le moteur l'a rendu à la deuxième décimale.

La contrefiche a donc fait deux choses : elle a descendu le pic jusqu'au point d'attache, et elle l'a réduit dans le rapport (H - a)/H, qui vaut ici 3,0/5,0 = 0,6. Elle ne l'a pas supprimé, et rien de ce que vous ferez à la contrefiche ne le supprimera. Sous le point d'attache, le poteau reprend toujours V/2 = 30 kN d'effort tranchant, et 30 kN d'effort tranchant sur 3,0 m de console font 90 kN.m, que la contrefiche au-dessus soit un tube, un U, une barre ronde ou un profilé laminé.

Vérifiez le poteau en conséquence. Pour ce portique, l'effort normal vaut 160,0 kN par poteau contre phi Pc = 3 431 kN, et le moment vaut 90,0 kN.m contre phi Mp = 599,5 kN.m, si bien que le taux d'interaction AISC 360 H1-1 vaut 0,1735 avec les contrefiches d'angle contre 0,2735 sans : 36,6 % de soulagement. Réel, bienvenu et fini. Le poteau d'un portique à contrefiches d'angle est un poteau-poutre et doit être vérifié comme tel.

Le moment fléchissant le long d'un poteau, portique nu contre portique à contrefiches d'angle, tous deux avec un moment nul au pied articulé
La contrefiche descend le pic du haut du poteau jusqu'au point d'attache et le réduit de (H - a)/H. Elle ne le supprime pas, et la section de la contrefiche n'apparaît dans aucun des deux nombres.

La variable qui n'est pas la réponse : la section de la contrefiche

Un portique échoue au déplacement. L'instinct est de grossir la contrefiche. Voici ce que cela achète, avec le décalage tenu à a = 1,5 m et tout le reste identique.

section de la contreficheairedéplacementeffort dans la contrefiche
SHS 60x60x3684 mm232,053 mm141,42 kN
SHS 90x90x51 700 mm225,875 mm141,42 kN
SHS 150x150x105 600 mm222,978 mm141,42 kN
SHS 250x250x1614 976 mm222,188 mm141,42 kN

21,9 fois l'aire a acheté 30,8 % du déplacement, et passer du 90x90x5 au 250x250x16, un facteur 8,8 sur l'acier, en a acheté 14,2 %. La courbe est plate et elle allait toujours être plate, parce que la section de la contrefiche n'apparaît pas dans la partie de flexion de l'expression du déplacement. Elle n'apparaît que dans un seul terme d'effort normal, et dès la troisième ligne ce terme a été écrasé près de zéro. Au-delà, il ne reste que la flexion propre du portique.

Et regardez la dernière colonne. L'effort dans la contrefiche ne bouge pas du tout. 141,42 kN à chaque ligne, parce que la statique l'a fixé à partir de la géométrie avant qu'aucune section ne soit choisie. Grossir une contrefiche d'angle ne soulage pas la contrefiche d'angle. Cela ne fait qu'abaisser son taux de travail, qui n'était pas le problème.

Si le portique est trop souple, les variables qui marchent vraiment sont, dans l'ordre : le décalage, la section du poteau, la section de la poutre, et l'encastrement des pieds. La section de la contrefiche est quatrième ou cinquième sur cette liste, et c'est celle que tout le monde essaie en premier.

Quatre sections de contrefiche au même décalage, montrant le déplacement qui ne descend que légèrement pendant que l'effort dans la contrefiche reste identique
Vingt-deux fois l'aire de la contrefiche, 30,8 % du déplacement, et exactement les mêmes 141,42 kN dans la barre. La section de la contrefiche n'est pas dans les termes de flexion et elle n'est pas dans l'effort.

Ce qu'une contrefiche d'angle achète, et ce qu'elle n'achète pas

Trois versions de la même travée sous les mêmes 60 kN, et la comparaison qu'il faudrait faire avant de choisir le détail.

  • Portique nu : 48,109 mm, H/104, ouverture libre 8,0 m par 5,0 m.
  • Contrefiches d'angle à a = 2,0 m : 18,236 mm, H/274, 2,64 fois la rigidité, ouverture libre 4,0 m par 3,0 m.
  • Diagonale complète d'angle à angle, même SHS 90x90x5 : 2,313 mm, H/2162, 20,8 fois la rigidité, et la travée est traversée.

Un facteur 2,6 contre un facteur 21. Cet écart est le résumé honnête de ce qu'est une contrefiche d'angle. C'est un raidisseur d'angle, pas un système de contreventement. Choisissez-la quand l'ouverture libre est l'exigence. Ne la choisissez pas quand la rigidité est l'exigence, parce qu'alors c'est le mauvais outil, et le tableau de saturation ci-dessus dit qu'une contrefiche plus grosse ne la sauvera pas.

Une réserve sur cette diagonale, pour lui rendre justice. À 9,434 m et KL/r = 271, le même SHS en compression sur toute la longueur a phi Pc = 36,0 kN contre les 67,4 kN que le moteur y fait passer, si bien qu'une diagonale unique pleine longueur de cette section est une barre à traction seule et qu'il faudrait la doubler en X. C'est une autre décision de dimensionnement, avec son propre critère, et elle fait l'objet de son propre article.

Trois travées de portique côte à côte : nue, à contrefiches d'angle et avec une diagonale complète, avec leur déplacement et l'ouverture libre que chacune laisse
2,64 fois contre 20,8 fois. La contrefiche d'angle est choisie pour l'ouverture qu'elle laisse, pas pour la rigidité qu'elle apporte.

C'est toujours un portique à nœuds déplaçables, et la norme le dit encore

Le classement compte parce que deux vérifications de norme en dépendent.

Les effets du second ordre. L'EN 1993-1-1, clause 5.2.1(3), autorise l'analyse au premier ordre quand alphacr = (HEd/VEd) (h/δH) vaut au moins 10. Pour ce portique, la rigidité horizontale passe de 1 247,2 kN/m nu à 3 290,2 kN/m avec contrefiches d'angle, si bien que sous les 320 kN de gravité pondérée alphacr passe de 19,49 à 51,41. L'amplificateur d'étage B2 de l'AISC 360 passe de 1,0541 à 1,0198 sur le même changement. Les deux passent dans les deux cas ici, ce qui vaut d'être dit franchement : pour un portique de mezzanine, c'est la limite d'état limite de service qui mord, pas le déclencheur de stabilité. Mais l'amplificateur est au-dessus de 1,0 dans les deux cas, parce que le portique se déplace dans les deux cas.

La longueur de flambement du poteau. Un portique à contrefiches d'angle n'est pas un portique contreventé vis-à-vis du flambement. Le moment en pied est nul, l'effort tranchant en pied vaut toujours V/2, et le mode de déplacement est toujours là. Prendre K = 1,0 parce qu'il y a une diagonale sur le dessin n'est pas sécuritaire. Utilisez la méthode d'analyse directe, ou un K de portique à nœuds déplaçables tiré de la rigidité d'étage, et laissez le déplacement propre du portique fixer la réponse.

Un nombre de plus sur le même thème. Remplacer les assemblages rigides poutre-poteau par des assemblages articulés a changé le déplacement de 1,34 % à a = 2,0 m, et de moins de 1,5 % à tous les décalages à partir de 1,0 m. Dès que la contrefiche est assez longue, l'assemblage rigide a presque cessé de justifier son coût, ce qui est exactement la raison d'être du détail portique articulé plus contrefiches d'angle. En dessous de 1,0 m la comparaison s'inverse et l'assemblage rigide vaut 13 %, si bien que la substitution n'est sûre qu'une fois la contrefiche longue.

Le détail, et la version sismique

L'assemblage est la moitié chère. L'effort dans la contrefiche est fixé par la géométrie, si bien que plus la contrefiche est courte, plus chaque partie de l'assemblage est lourde. À a = 0,5 m, le gousset, les boulons et les soudures doivent reprendre 424,3 kN ; à a = 2,0 m ils reprennent 106,1 kN. Dimensionnez l'assemblage pour l'effort que le décalage vous donne, et vérifiez les effets locaux là où la contrefiche se pose : écrasement de l'âme et cisaillement de la zone nodale sur le poteau, et écrasement de l'âme sur la poutre, puisque ni l'un ni l'autre des points d'attache n'est un nœud raidi par défaut.

La poutre est maintenant aussi une barre comprimée. Dans la travée traitée, le tronçon d'extrémité de la poutre reprend 75,0 kN de compression, et la poutre reprend un moment dans le plan de 75,0 kN.m au point d'attache par-dessus sa flexion de gravité. Combinez-les ; ne vérifiez pas la poutre pour la gravité seule.

Le maintien hors plan. La contrefiche d'angle est une barre dans le plan et ne fait rien pour l'axe faible du poteau. Cela demande toujours les lisses de bardage, le diaphragme de plancher ou le contreventement en plan habituels.

La version sismique. Là où un portique à contrefiches d'angle sert de système ductile, la hiérarchie s'inverse : l'élément d'angle est fait fusible et doit plastifier en premier, si bien que la diagonale et ses assemblages sont dimensionnés pour l'effort de surrésistance que l'angle plastifié peut délivrer, et non pour la sollicitation élastique. C'est la même logique de dimensionnement en capacité que l'Eurocode 8 applique au tronçon sismique d'un portique à triangulation excentrée. Cela veut dire aussi que les deux problèmes de dimensionnement sont opposés : dans le cas du raidisseur vous voulez la contrefiche forte, dans le cas du fusible vous la voulez exactement assez faible. Décidez lequel des deux vous construisez avant de dimensionner quoi que ce soit, et vérifiez vos dispositions sismiques nationales, parce que les portiques à contrefiches d'angle ne sont pas un système listé dans toutes les normes et peuvent ne porter aucun coefficient de comportement tabulé.

Six façons de se tromper

  1. L'appeler un portique contreventé. Le poteau sous le point d'attache n'a aucune diagonale dessus. Il garde (V/2)(H - a) de moment et il garde son mode de déplacement. Vérifiez-le comme un poteau-poutre.
  2. Grossir la contrefiche pour corriger le déplacement. 21,9 fois l'aire a acheté 30,8 % du déplacement et 0 % de l'effort dans la contrefiche. Le décalage, le poteau et l'encastrement des pieds sont les variables qui déplacent la réponse.
  3. Modéliser la contrefiche d'angle dans un portique entièrement articulé. Elle ne peut pas y travailler. Une contrefiche d'angle a besoin de continuité de flexion dans le poteau et dans la poutre au travers des points d'attache ; une version entièrement articulée de la même géométrie est un mécanisme.
  4. Une contrefiche symbolique. À a = 0,5 m, le portique était plus souple que le portique à assemblages rigides sans aucune contrefiche, 51,728 mm contre 48,109 mm. Une contrefiche courte n'est pas une version bon marché d'une longue ; elle peut être pire que rien.
  5. Dimensionner l'assemblage à partir de la barre, et non de la géométrie. L'effort dans la contrefiche vaut V H / (2 a cos beta) quelle que soit la section que vous y mettez. Un assemblage détaillé d'après la capacité d'une contrefiche légère peut être très loin sous l'effort que le portique va réellement délivrer.
  6. Oublier la poutre. Le tronçon d'extrémité de la poutre a pris 75,0 kN d'effort normal et 75,0 kN.m de moment de la contrefiche dans la travée traitée, par-dessus la gravité. Une poutre vérifiée pour la gravité seule a été vérifiée pour la mauvaise structure.

La vérification, dans l'ordre

  1. Fixez le décalage d'après le dégagement, pas d'après la structure. Prenez la contrefiche la plus longue que l'ouverture tolère. Toutes les grandeurs structurales s'améliorent avec elle.
  2. Tirez l'effort dans la contrefiche de la géométrie : N = V H / (2 a cos beta). Il ne dépend pas de ce que vous y mettez.
  3. Vérifiez la contrefiche en compression sur toute sa longueur, et en traction. Elle sera en général peu sollicitée ; c'est normal.
  4. Vérifiez le poteau comme un poteau-poutre pour (V/2)(H - a) plus son effort normal de gravité. La contrefiche n'enlève pas ce moment.
  5. Vérifiez la poutre pour son moment de gravité combiné à l'effort normal et au moment local que la contrefiche délivre au point d'attache.
  6. Vérifiez le déplacement face à votre limite, avec la rigidité réelle du portique. S'il échoue, revenez à l'étape 1, puis à la section du poteau, puis aux pieds. N'allez pas à la section de la contrefiche.
  7. Vérifiez la stabilité : alphacr ou B2, avec le portique traité comme un portique à nœuds déplaçables, parce qu'il en est un.
  8. Détaillez l'assemblage pour l'effort géométrique, et vérifiez l'écrasement de l'âme et le cisaillement de la zone nodale aux deux points d'attache.
  9. Si la réponse est qu'il vous faut de la vraie rigidité, et que l'ouverture le permet, arrêtez-vous et mettez une diagonale complète. La contrefiche d'angle valait 2,64 fois ; la diagonale valait 20,8.

Sources

  1. 1.ANSI/AISC 360, Specification for Structural Steel Buildings : le chapitre E pour la compression (les équations de flambement par flexion E3 utilisées pour la contrefiche), le chapitre D pour la traction, le chapitre H pour l'interaction du poteau-poutre, et l'annexe 7 pour la rigidité d'étage et l'amplificateur B2
  2. 2.ANSI/AISC 341, Seismic Provisions for Structural Steel Buildings : la logique de dimensionnement en capacité qui fait d'un élément plastifiant désigné le fusible et dimensionne tout le reste autour de lui pour l'effort que cet élément peut délivrer
  3. 3.EN 1993-1-1, Eurocode 3, calcul des structures en acier, règles générales : la clause 5.2.1(3), qui autorise l'analyse au premier ordre quand alpha cr vaut au moins 10, et la section 6.3 pour le coefficient de réduction au flambement
  4. 4.EN 1998-1, Eurocode 8, calcul des structures pour leur résistance aux séismes : la clause 6.8 sur les portiques à triangulation excentrée, le parent listé le plus proche d'un portique à contrefiches d'angle ductile, où un tronçon désigné plastifie et où tout le reste du portique est dimensionné en capacité autour de lui
  5. 5.ABNT NBR 8800, Projeto de estruturas de aco e de estruturas mistas de aco e concreto : les dispositions de compression et de poteau-poutre, et le tableau C.1 de l'annexe C, qui limite le déplacement horizontal du haut des poteaux par rapport à la base à H/400
  6. 6.J. D. Aristizabal-Ochoa, Disposable Knee Bracing: Improvement in Seismic Design of Steel Frames, ASCE Journal of Structural Engineering, 1986 : la proposition originale de l'élément d'angle comme fusible ductile remplaçable
  7. 7.T. Balendra, M. T. Sam et C. Y. Liaw, Diagonal Brace with Ductile Knee Anchor for Aseismic Steel Frame, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1990 : le travail expérimental derrière le portique contreventé à ancrage d'angle ductile
  8. 8.ASCE 7, Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures : l'annexe non normative sur l'état limite de service, qui suggère des limites de déplacement de l'ordre de 1/600 à 1/400 de la hauteur du bâtiment ou de l'étage

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